基于集成控制器的Buck型高功率因数变换器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及电源管理领域，为实现高功率因数，本发明采取的技术方案是，基于集成控制器的Buck型高功率因数变换器，包括：外围电路：由四个二极管组成的整流桥，整流桥后并联一个由两个电阻串联组成的分压结构；交流输入电源正输出端连接到一个二极管的负极，负输出端经过电流检测电阻与MOS开关连接，MOS开关的另一端连接二极管的正极；二极管的正极连接降压电感的一端；输出负载并联一个差分分压结构：两电阻的中间节点连接到一个P型三级管的基极，高电平端经发射极电阻后连接到次三极管的发射极，集电极经过集电极电阻后连接到地，集电极与电阻之间的节点为输出电压反馈信号。本发明主要应用于电源管理。
【专利说明】基于集成控制器的Buck型高功率因数变换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及电源管理领域，尤其涉及功率因数校正电路的研究及其控制芯片的设计，适用于输入部分与输出部分没有公共参考点的降压型电路。具体讲，涉及基于集成控制器的Buck型高功率因数变换器。
技术背景
[0002]在开关电源电路中，传统的外部电源常常采用两级的结构来获得稳定的直流总线电压和大范围输入电压下的高效率。这对前端PFC变换器来说是一大挑战。在低功耗应用条件下，工作在临界模式(BCM)下的升压(Boost)变换器是一个节约成本的选择。然而升压型功率因数变换器(PFC)在低输入电压条件下的效率比高输入电压条件下低约2.5%。Boost变换器的高输出电压(典型值380V或400V)对前端PFC的开关与后级的直流变换器的一次侧开关的开关损耗有不利影响。此外，由于Boost型变换器在输出端使用了大的储能电容，因此需要增加额外的元件来避免电流涌入的问题。相比之下，降压(Buck)型转换器有很多引人注目的优点。首先，采用Buck拓扑可以在整个输入电压范围内获得很高的效率。另外，Buck型转换器开关的电压应力很低。但是由于Buck型拓扑在输入电压低于输出电压的时间内存在电流为零的情况，如图1。因此，这一拓扑作为PFC变换器时总是不能获得高的功率因数。
[0003]正是因为以上原因，基于Buck型变换器的控制芯片相对于其它类型变换器的芯片数量可谓是冰山一角。在如今的PFC电路中普遍使用开关技术，即在整流桥和滤波电容之间使用功率因数控制器，从电源获取一个准正弦波电流，与线电压同步，可以获得很好的功率因数。目前广泛应用于PFC控制的方法有两种:固定频率的平均电流模式和固定导通时间的临界模式。第一种模式控制方法较为复杂，需要精密的控制芯片，并且需要很多的外围元器件。
【发明内容】
[0004]为克服现有技术的不足，提出一种基于集成控制器的Buck型高功率因数变换器，实现高功率因数。为此，本发明采取的技术方案是，基于集成控制器的Buck型高功率因数变换器，包括:
[0005]外围电路:由四个二极管组成的整流桥，整流桥后并联一个由两个电阻串联组成的分压结构；交流输入电源经整流桥后，正输出端连接到一个二极管的负极，负输出端经过电流检测电阻与MOS开关连接，MOS开关的另一端连接二极管的正极；二极管的正极连接降压电感的一端，输出电容并联在降压电感的另一端与二极管的负极之间；输出负载并联一个差分分压结构:两个电阻串联后并联在输出端，两电阻的中间节点连接到一个P型三级管的基极，高电平端经发射极电阻后连接到次三极管的发射极，集电极经过集电极电阻后连接到地，集电极与电阻之间的节点为输出电压反馈信号；
[0006]集电极电阻电压为INV，INV连接误差放大器的正输入端，固定直流电压连接误差放大器的负输入端，误差放大器的输出端连接乘法器的一个输入端，乘法的另一个输入端连接整流桥后分压电阻的输出；乘法器的输出端连接到一个比较器的正输入端，电流检测电阻与MOS开关之间的节点连接到这一比较器的负输入端；降压电感的耦合电感一端接地，另一端经电阻后连接到另一个比较器的负输入端，这一比较器的正输入端经电容连接到地；第一个比较器的输出端连接到RS触发器的复位端，第二个比较器的输出端连接到RS触发器的置位端；RS触发器的输出连接到MOS开关的控制端。
[0007]输入电压Vin由电阻分压后得到MULT，输出电压经过电阻分压得到INV，INV连接到误差放大器的反相输入端，与基准电压的误差信号经过误差放大器放大后的信号作为乘法器的一个输入信号；乘法器的另一个输入信号为MULT，因此，乘法器的输出的波形的包络是正弦波；乘法器的输出作为电流比较器的参考信号，电流比较器的另一输入信号为CS，因此能够使输入电流的包络为正弦；电流比较器输出到RS触发器的置位端，控制开关Q每个周期的峰值电流；当通过电感的电压反向时，零电流检测(ZCD)模块输出到RS触发器的复位端，控制开通外部Q，使电路工作在电流临界模式；每个开关周期开始时MOS开关导通，电感电流线性增加；然后将电感电流的检测信号与参考信号进行对比，当电感电流检测值等于电感电流参考值时，MOS开关关断，电感电流减小；当电感电流降为零时，MOS开关再导通,周而复始。
[0008]本发明的技术特点与效果:
[0009]本发明在Buck型PFC变换器中使用了电流型控制芯片L6561，由于其对电流的整形效果好，大大提高了 Buck型PFC变换器的功率因数。L6561控制芯片从来没有应用到Buck型变换器中，在Buck型变换器越来越受到关注的今天，采用这种方法对电路进行控制在提升电路性能的同时，也拓展了 Buck型变换器的应用范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1Buck型功率因数变换器的输入电压与输入电流波形；
[0011]图2电路整体结构图；
[0012]图3电路工作过程示意图；
[0013]图4仿真电路中输入电压与输入电流波形。
【具体实施方式】
[0014]本发明的技术方案是:
[0015]I拓扑结构:
[0016]外围电路如图2，包括一个单相交流电源Vac，由四个二极管组成的整流桥，整流桥后并联一个由两个电阻串联组成的分压结构。交流输入电源经整流桥后，正输出端连接到一个二极管的负极，负输出端经过电流检测电阻与MOS开关连接，MOS开关的另一端连接二极管的正极。二极管的正极连接降压电感的一端，输出电容并联在降压电感的另一端与二极管的负极之间。输出负载并联一个差分分压结构:两个电阻串联后并联在输出端，两电阻的中间节点连接到一个P型三级管的基极，高电平端经一个电阻后连接到次三极管的发射极，集电极经过一个电阻后连接到地，集电极与电阻之间的节点为输出电压反馈信号。
[0017]2、L6561简化的主体部分如下:输出电压反馈信号INV、输入端电压基准信号MULT、开关电流检测信号CS、电感零电流检测信号ZCD。整个系统的基本结构如图2。上述外围电路的输出电压经分压后的反馈信号为连接到INV，INV连接误差放大器的正输入端，
2.5V固定直流电压连接误差放大器的负输入端,误差放大器的输出端连接乘法器的一个输入端，乘法的另一个输入端连接整流桥后分压电阻的输出。乘法器的输出端连接到一个比较器的正输入端，电流检测电阻与MOS开关之间的节点连接到这一比较器的负输入端。降压电感的耦合电感一端接地，另一端经电阻后连接到另一个比较器的负输入端，这一比较器的正输入端经电容连接到地。第一个比较器的输出端连接到RS触发器的复位端，第二个比较器的输出端连接到RS触发器的置位端。RS触发器的输出连接到MOS开关的控制端。
[0018]主要工作过程:
[0019]输入电压Vin由电阻分压后得到MULT，输出电压经过电阻分压得到INV，INV连接到误差放大器的反相输入端，与基准电压的误差信号经过误差放大器放大后的信号作为乘法器的一个输入信号。乘法器的另一个输入信号为MULT，因此，乘法器的输出的波形的包络是正弦波。乘法器的输出作为电流比较器的参考信号，电流比较器的另一输入信号为CS，因此能够使输入电流的包络为正弦。电流比较器输出到RS触发器的置位端，控制开关Q每个周期的峰值电流。当通过电感的电压反向时，ZCD (零电流检测)模块输出到RS触发器的复位端，控制开通外部Q，使电路工作在电流临界模式。
[0020]基于以上分析，整体电路的大致工作过程如下:控制芯片L6561生成电感电流参考信号，每个开关周期开始时MOS开关导通，电感电流线性增加如图3 Ca)粗线所示路径。然后将电感电流的检测信号与参考信号进行对比，当电感电流检测值等于电感电流参考值时，MOS开关关断，电感电流减小,如图3 (b)粗线所示路径。当电感电流降为零时，MOS开关再导通,周而复始。
[0021]本发明在以上分析的基础上，对一个输入220V (50Hz)，输出80V，65W的降压型电路进行分析。输入电流整形后的波形如图4。
[0022]经计算后，此功率因数变换器的功率因数为:93.11%。
[0023]电源转换效率为:96.28%ο
【权利要求】
1.一种基于集成控制器的Buck型高功率因数变换器，其特征是，包括: 外围电路:由四个二极管组成的整流桥，整流桥后并联一个由两个电阻串联组成的分压结构；交流输入电源经整流桥后，正输出端连接到一个二极管的负极，负输出端经过电流检测电阻与MOS开关连接，MOS开关的另一端连接二极管的正极；二极管的正极连接降压电感的一端，输出电容并联在降压电感的另一端与二极管的负极之间；输出负载并联一个差分分压结构:两个电阻串联后并联在输出端，两电阻的中间节点连接到一个P型三级管的基极，高电平端经发射极电阻后连接到次三极管的发射极，集电极经过集电极电阻后连接到地，集电极与电阻之间的节点为输出电压反馈信号； 集电极电阻电压为INV，INV连接误差放大器的正输入端，固定直流电压连接误差放大器的负输入端，误差放大器的输出端连接乘法器的一个输入端，乘法的另一个输入端连接整流桥后分压电阻的输出；乘法器的输出端连接到一个比较器的正输入端，电流检测电阻与MOS开关之间的节点连接到这一比较器的负输入端；降压电感的耦合电感一端接地，另一端经电阻后连接到另一个比较器的负输入端，这一比较器的正输入端经电容连接到地；第一个比较器的输出端连接到RS触发器的复位端，第二个比较器的输出端连接到RS触发器的置位端；RS触发器的输出连接到MOS开关的控制端。
2.如权利要求1所述的基于集成控制器的Buck型高功率因数变换器，其特征是，输入电压Vin由电阻分压后得到MULT，输出电压经过电阻分压得到INV，INV连接到误差放大器的反相输入端，与基准电压的误差信号经过误差放大器放大后的信号作为乘法器的一个输入信号；乘法器的另一个输入信号为MULT，因此，乘法器的输出的波形的包络是正弦波；乘法器的输出作为电流比较器的参考信号，电流比较器的另一输入信号为CS，因此能够使输入电流的包络为正弦；电流比较器输出到RS触发器的置位端，控制开关Q每个周期的峰值电流；当通过电感的电压反向时，零电流检测(ZCD)模块输出到RS触发器的复位端，控制开通外部Q，使电路工作在电流临界模式；每个开关周期开始时MOS开关导通，电感电流线性增加；然后将电感电流的检测信号与参考信号进行对比，当电感电流检测值等于电感电流参考值时，MOS开关关断，电感电流减小；当电感电流降为零时，MOS开关再导通，周而复始。
【文档编号】H02M1/42GK103944425SQ201410129690
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】高静, 朱萌, 徐江涛, 史再峰, 姚素英 申请人:天津大学